嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ剖析與移植

摘 要： 嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序不同，不能直接使用在不同硬件平臺上。尤其是使用嵌入式操作系統(tǒng)的電子產(chǎn)品種類繁多，更新?lián)Q代也迅速，關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)的移植動作也很頻繁。嵌入式操作系統(tǒng)需要用C語言和匯編語言完成一些與處理器相關(guān)的代碼，將嵌入式操作系統(tǒng)移植到自己的硬件平臺的主要工作是修改這部分與處理器硬件相關(guān)的代碼。μC/OS?Ⅱ?yàn)殚_源免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng)并且代碼簡單易懂，以μC/OS?Ⅱ?yàn)榛A(chǔ)剖析嵌入式操作系統(tǒng)的代碼及移植便于理解操作系統(tǒng)設(shè)計方法和進(jìn)行二次開發(fā)。

關(guān)鍵詞： 嵌入式操作系統(tǒng)； μC/OS?Ⅱ； 移植； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN919?34； TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0084?03

0 引 言

現(xiàn)在，大家不僅擁有放在桌上處理文檔、進(jìn)行工作管理的通用計算機(jī)，而且也可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品。隨著電子產(chǎn)品的智能化，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的出現(xiàn)，使用在通用計算機(jī)中操作系統(tǒng)通過變身慢慢出現(xiàn)在嵌入式產(chǎn)品中。操作系統(tǒng)與硬件緊密相關(guān)，如何將操作系統(tǒng)簡便的移植到各式各樣的嵌入式產(chǎn)品中是產(chǎn)品廠家急需解決的問題。了解操作系統(tǒng)的基本概念、基本原理，掌握操作系統(tǒng)的主要任務(wù)及功能的設(shè)計思路是設(shè)計人員需要具備的知識。想要移植操作系統(tǒng)到電子產(chǎn)品中，需了解實(shí)時操作系統(tǒng)的概念、內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如何裁剪操作系統(tǒng)代碼[1]。本文通過對嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ源代碼的分析及移植，掌握多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)的基本概念、競爭與調(diào)度算法、任務(wù)間同步與通信、存儲與定時的管理。

1 嵌入式操作系統(tǒng)分類

運(yùn)行在嵌入式硬件平臺上，對整個系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制的系統(tǒng)軟件叫作嵌入式操作系統(tǒng)。其有如下特點(diǎn)：微型化、可裁剪性、實(shí)時性、高可靠性和易移植性。

按嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用范圍分類可分為：

（1） 通用型嵌入式操作系統(tǒng)，Windows CE，VxWorks，μCLinux和μC/OS；

（2） 專用型嵌入式操作系統(tǒng)，如移動電話的Symbian，PDA的Palm OS。

嵌入式操作系統(tǒng)還可分為商用型和免費(fèi)型：

（1） 商用型的實(shí)時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價格昂貴，如Vxworks，QNX，WinCE，Palm OS等；

（2） 免費(fèi)型的實(shí)時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有Linux和μC/OS?Ⅱ，穩(wěn)定性與服務(wù)性存在挑戰(zhàn)。

按嵌入式操作系統(tǒng)使用領(lǐng)域分類可分為：有線電視機(jī)頂盒領(lǐng)域，PowerTV；移動通信領(lǐng)域，EPOC；掌上計算機(jī)領(lǐng)域，Palm OS；數(shù)字影像領(lǐng)域， Digita。

2 μC/OS?Ⅱ代碼剖析

微控制器操作系統(tǒng)（Micro Controller OS，μC/OS）是美國人Jean J.Labrosse 1992年完成的，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動機(jī)控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機(jī)等。μC/OS?Ⅱ用C語言和匯編語言編寫的。其源代碼可以從網(wǎng)站www.micrium.com中免費(fèi)下載。

μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要工作是對任務(wù)進(jìn)程管理和調(diào)度。典型的任務(wù)一個無限循環(huán)，如圖1所示。

下面對創(chuàng)建任務(wù)的函數(shù)OSTaskCreate（）的源代碼做簡單的介紹。

μC/OS?II支持64個任務(wù)，每個任務(wù)一個特定的優(yōu)先級。優(yōu)先級越高，數(shù)字越小。當(dāng)創(chuàng)新一個新任務(wù)時，創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)OSTaskCreate（）需先獲得一個未被使用的在有效值范圍內(nèi)任務(wù)優(yōu)先級，初始化任務(wù)堆棧函數(shù)OSTaskStkInit（）獲得該任務(wù)的初始數(shù)據(jù)（指向任務(wù)的指針、程序狀態(tài)字等），初始化任務(wù)控制塊函數(shù)OSTCBInit（）獲取從務(wù)控制塊鏈表中一個任務(wù)控制塊并用任務(wù)的屬性對其進(jìn)行賦值后將其鏈入到任務(wù)控制塊鏈表的頭部，OSSched（）函數(shù)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。多任務(wù)操作系統(tǒng)的核心工作就是任務(wù)調(diào)度。所謂調(diào)度就是通過一個算法在多個任務(wù)中確定哪個任務(wù)來運(yùn)行。μC/OS?Ⅱ是占先式實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)先級最高的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，則擁有CPU的所有權(quán)開始投入運(yùn)行[2]。μC/OS?Ⅱ進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的思想是每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。μC/OS?Ⅱ進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的依據(jù)就是任務(wù)就緒表。任務(wù)就緒表記載就緒的任務(wù)優(yōu)先級，根據(jù)任務(wù)就緒表可以判斷出哪個任務(wù)的優(yōu)先級最高，進(jìn)行調(diào)度[3]。

3 μC/OS?Ⅱ移植

所謂操作系統(tǒng)的移植，是指使一個實(shí)時操作系統(tǒng)能夠在某個微處理器平臺上運(yùn)行。μC/OS?Ⅱ的主要代碼都是由標(biāo)準(zhǔn)的C語言寫成的，移植方便。移植的主要工作是修改部分與處理器硬件相關(guān)的代碼。雖然μC/OS?Ⅱ在設(shè)計之初已經(jīng)充分考慮了可移植性，但是μC/OS?Ⅱ在讀/寫處理器寄存器時，只能通過匯編語言來實(shí)現(xiàn)，因此仍需要用C語言和匯編語言編寫一些與處理器硬件相關(guān)的代碼[4]。μC/OS?Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，在該圖中可以很容易看出哪些代碼文件與處理器相關(guān)需要移植時修改。圖中中間有3大塊代碼文件顯示區(qū)域，左上區(qū)域?yàn)榕c處理器無關(guān)的代碼，右上區(qū)域?yàn)榕c應(yīng)用有關(guān)的代碼，下面區(qū)域是與處理器相關(guān)的代碼。下面區(qū)域包括C語言O(shè)S_CPU.H和OS_CPU_C.C和匯編語言O(shè)S_CPU_A.ASM代碼文件，在移植時重點(diǎn)去修改這幾個文件。

3.1 修改OS_CPU.H

OS_CPU.H中的與處理器和編譯器相關(guān)的代碼包括了用#define語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型、與 ARM處理器相關(guān)宏開啟/關(guān)閉中斷的代碼。 絕大多數(shù)的微處理器和微控制器的堆棧是從上往下長的。但是某些處理器是用另外一種方式工作的。μC/OS?Ⅱ被設(shè)計成兩種情況都可以處理，只要在結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH中指定堆棧的生長方式即可。如設(shè)置OS_STK_GROWTH為0表示堆棧從下往上增長；設(shè)置OS_STK_GROWTH為1表示堆棧從上往下增長。

3.2 修改OS_CPU_C.C

OS_CPU_C.C中的與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)OSTaskStkInit（），OSInitHookBegin（），OSInitHookEnd（），OSTaskCreateHook（），OSTaskDelHood（），OSTaskSwHook（），OSTaskStatHook（），OSTCBInitHook（），OSTimeTickHook（），OSTaskIdleHook（）。如系統(tǒng)啟動任務(wù)時，CPU從堆棧初始化OSTaskStkInit（）中獲得初始數(shù)據(jù)，如指向任務(wù)的指針、程序狀態(tài)字。不同處理器內(nèi)部的寄存器個數(shù)及每個位數(shù)不同需要根據(jù)實(shí)際情況修改。

3.3 修改OS_CPU_A.ASM

OS_CPU_A.ASM中的與處理器相關(guān)函數(shù)OSStartHighRdy（），OSCtxSw（），OSIntCtxSw（），OSTickISR（）。下面以運(yùn)行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy（）為例分別移植到ARM和8086中代碼改變情況。

（1） OSStartHighRdy（）?ARM

OSStartHighRdy

LDRr4， addr_OSTCBCur

； 得到當(dāng)前任務(wù)TCB地址

LDRr5， addr_OSTCBHighRdy

；得到最高優(yōu)先級任務(wù)TCB地址

LDRr5， [r5] ；獲得堆棧指針

LDRsp， [r5] ；轉(zhuǎn)移到新的堆棧中

…

（2） OSStartHighRdy（）?8086

_OSStartHighRdy PROC FAR

CALL FAR PTR _OSTaskSwHook；

MOV AX， SEG _OSTCBHighRdy

MOV DS， AX

MOV AL， 1

MOV BYTE PTR DS：_OSRunning， AL

… _OSStartHighRdy ENDP

代碼移植完畢后便可以測試。根據(jù)處理器的不同，移植一個操作系統(tǒng)可能需要編寫或改寫50～300行的代碼。如果內(nèi)核測試通過后，可以運(yùn)行一些簡單的任務(wù)和時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序，一個嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ就移植好了。

4 結(jié) 語

μC/OS?Ⅱ源代碼簡單、易懂，容易學(xué)習(xí)和移植，在存儲空間有限及對實(shí)時性要求高的電子產(chǎn)品中較為普遍使用。了解了μC/OS?Ⅱ源代碼后，對于學(xué)習(xí)嵌入式其他操作系統(tǒng)代碼如嵌入式Linux，VxWorks等更加容易，也容易實(shí)現(xiàn)移植。

參考文獻(xiàn)

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